線性粘滯阻尼器布置方案對框架結構地震反應的影響

李 陽，　張 敏

(廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006)

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線性粘滯阻尼器布置方案對框架結構地震反應的影響

李 陽，張 敏

(廣西科技大學土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006)

為研究線性粘滯阻尼耗能框架的地震反應，采用SAP2000分析了一座10層框架結構安裝線性粘滯阻尼器之后，在地震作用下的地震反應。考慮了五種不同的阻尼器布置方案，其中三種方案為對稱布置，但阻尼器布置位置不同；兩種方案為非對稱布置，且其中一種方案只在結構一側布置阻尼器，由此探討了阻尼器布置方式對框架結構地震響應的影響。可得對稱布置方案結構各樓層減震效果良好，并且三種布置方案地震反應和減震效果基本相同；非對稱布置方案相對前三種布置方案減震效果較差，這是由于阻尼器布置不對稱，使結構產生了扭轉，增大結構地震反應。因而阻尼器應在結構中靈活對稱布置，不宜采用非對稱形式布置。

粘滯阻尼器；框架結構；布置方案；地震反應

1 研究現狀

地震對人類社會破壞性極強，傳統的抗震結構通過改變結構自身的剛度及質量分布來增強結構的抗震能力。消能減震結構是近年來提出并得到廣泛應用的一種先進技術，它是通過在結構中安裝消能減震裝置，以消耗、吸收地震輸入結構的能量，從而減弱結構的地震反應，提高結構耐震能力。

結構中布置阻尼器，增大了結構的阻尼比，但振動方程阻尼矩陣不再對振型具有正交性，因此常規的振型分解反應譜法已不再適用，國內外很多學者對該問題進行了大量的研究。2004年，湯昱川等[1]在基于空間桿系結構模型的基礎上，推導了粘滯阻尼器減震結構的附加阻尼矩陣、動力平衡方程，并在高層建筑結構動力分析程序HBTA中增加了對附加粘滯阻尼器減震結構的非線性動力分析功能；1999年，歐進萍等[2-3]研究了耗能減震結構非正交阻尼矩陣強行解耦的精度和實際應用，提出了在振型分解反應譜法中可將阻尼器統一歸結為結構附加振型阻尼比的方法；2000年，徐趙東等[4]利用開爾文模型描述阻尼器的耗能特性，將被動控制結構的運動方程用狀態空間法描述，之后采用MATLAB的SIMULINK模塊進行求解，并給出了相應算例。

隨著阻尼器的廣泛應用，眾多學者針對結構功能要求提出了控制函數來優化阻尼器在結構中的布置，如層間位移角控制函數、振型控制函數等。1999年,周云等[5-6]根據粘彈性阻尼結構的性能和特點，提出了優化設計方案，如以層間位移為控制函數的優化設計方法；2001年,黃銘楓等[7]采用遺傳算法(GA)來確定減震結構中各層阻尼器的數量，并根據阻尼器耗能特性及建筑規范對抗震結構給出了評價函數，從而得到了阻尼器分布的優化布置方案。

本文針對設置粘滯阻尼器的框架結構，通過對五種不同布置工況下的耗能減震框架進行地震反應分析，探討了阻尼器布置形式對框架結構減震效果的影響。

2 工程實例

該工程為一棟10層混凝土框架結構，底層層高4.5 m，其余各均為3.3 m，結構總高34.2 m，結構平面布置如圖1所示；該框架抗震設防烈度為8度(0.30 g)，地震分組第2組，設防類別丙類；梁板柱混凝土強度等級均為C30。樓屋面恒載標準值10 kN/m2，樓屋面活載標準值2 kN/m2；梁截面尺寸為300 mm×650 mm，板厚100 mm，柱截面尺寸為600 mm×750 mm；阻尼器布置方案見圖2。

對于圖2所示設置粘滯阻尼器的框架結構，分別考慮四類場地的地震波，即：Ⅰ類場地OROVILLE波、Ⅱ類場地El-Centro波、Ⅲ類場地HOLLYWOOD STORAGE波、Ⅳ類場地天津波。

根據《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)，地震波的峰值加速度為110 gal(cm/s2)。

圖1　框架結構平面布置(單位:mm)

圖中帶括號數字，例如(1-10)代表框架該跨第1～第10層布置阻尼器，其他類同。圖2(a)～圖2(c)為阻尼器對稱布置方案;圖2(d)和圖2(e)為阻尼器非對稱布置方案，其中圖2(e)為阻尼器全部布置在結構一側。圖中各方案同一樓層阻尼系數總和等于該樓層的框架榀數乘以5×107N·s/m。

2.1 結構自振周期

應用SAP2000軟件模態分析法，分別得結構自振周期為T1=1.240 s，T2=1.163 s，T3=1.036 s。

結構自振周期是結構自身動力特性的反應，與結構的高度H、寬度B相關，當結構自振周期接近特征周期時，結構的地震響應最為強烈，結構的特征周期與結構場地類別有關。因此針對該結構選取了四類不同場地的地震波，研究場地類別對結構地震響應的影響。該框架結構布置規則，第一振型表現為橫向平動，第二振型表現為縱向平動，第三振型表現為扭轉為主。

2.2 結構樓層相對基礎的最大位移響應

地震作用下框架結構相對基礎的樓層最大側移見圖3。

(1)對于阻尼器對稱布置方案，結構各樓層最大位移反應與相應抗震結構相比均減小顯著，且減震效果基本一致，可見當阻尼器在結構中對稱設置時，能產生幾乎相同的減震效果。

(2)對于阻尼器布置方案d、方案e，結構各樓層最大位移反應相對前三種布置方案效果較差；當阻尼器僅設置在結構一側時，結構各樓層的最大位移反應，甚至相對于相應抗震結構的對應值還要大得多。這是由于阻尼器布置不對稱造成了結構在地震作用時發生了扭轉，產生了扭轉位移，故各樓層位移反應增大，因此阻尼器在結構中應對稱布置，否則將對結構產生不利影響。

2.3 結構最大層間位移角響應

層間位移角即樓層層間最大位移與對應樓層層高的比值，地震作用下框架結構產生的最大層間位移角見圖4。

圖2　阻尼器布置方案簡圖(單位：mm)

(1)對于對稱布置方案，其層間位移角相對相應抗震結構顯著減小，減震效果較好，表明阻尼器對稱布置方案減震效果基本相同。

圖3　框架結構相對基礎的樓層最大側移

(2)對于阻尼器非對稱布置方案，結構各樓層最大層間位移角相對于前三種布置方案減震效果降低，并且布置方案e，即只在結構的右半側布置阻尼器，地震作用下各樓層最大層間位移角甚至比傳統抗震結構還要大，這是由于阻尼器布置不對稱使結構發生扭轉，增大了樓層最大層間位移角。可見，阻尼器不宜采用非對稱的形式設置在結構中。

圖4　地震作用下框架結構最大層間位移角

3 結論

采用SAP2000軟件進行了不同布置工況下的耗能減震10層框架結構地震反應分析，由此得出下面結論：

(1)地震作用下對于阻尼器均勻對稱布置方案，結構各樓層最大樓層側移和最大層間位移角相對相應抗震結構均顯著減小，減震效果良好，并且三種布置方案，地震反應和減震效果基本相同。

(2)地震作用下對于阻尼器非對稱布置方案，結構各樓層最大樓層側移和最大層間位移角相對前三種布置方案降低效果較差，因而阻尼器應在結構中靈活對稱布置，不宜采用非對稱形式布置。

[1]湯昱川,張玉良,張銅生.粘滯阻尼器減震結構的非線性動力分析[J].工程力學,2004,21(1):67-71，158

[2]歐進萍,吳 斌,龍 旭.耗能減振結構的抗震設計方法[J].地震工程與工程振動,1998,18(2):98-107

[3]歐進萍,吳 斌,龍 旭.耗能減振結構的抗震分析與設計方法[J].振動工程學報,1999(2):55-62

[4]徐趙東,郭迎慶,周 云,等.被動控制結構的SIMULINK動態仿真分析[J].工程抗震,2000(4):18-22

[5]周 云,徐趙東,鄧雪松.粘彈性阻尼結構中阻尼器的優化設置[J].世界地震工程,1998,14(3):15-20

[6]徐趙東,周 云,趙鴻鐵.粘彈性阻尼結構的優化設計方法[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版,1999(3):44-46，50

[7]黃銘楓,唐家祥.高層建筑粘彈性阻尼器的優化設置[J].華中科技大學學報：自然科學版, 2001(11):73-75

On the Effect of the Layout Scheme of Linear Viscous Dampers on the Seismic Response of the Frame Structure

LI Yang,ZHANG Min

(College of Civil Engineering and Architecture,Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006,China)

In order to study the seismic response of the frame structure with linear viscous dampers,the SAP2000 is used for analyzing the seismic response of a 10-storey frame structure with linear viscous dampers under the action of an earthquake in the paper.Five different layout schemes are considered for the layout of linear viscous dampers, in three of which the viscous dampers are symmetrically arranged but are placed in different positions,in two of which the viscous dampers are asymmetrically arranged,and in one of which the linear viscous dampers are arranged on only one side of the frame structure, upon the basis of which the effects of different layouts of the linear viscous dampers on the seismic response of the frame structure under the action of an earthquake are explored in the paper.It is found that with the symmetrical layout schemes,the damping effect of each floor is good,and the effects of the seismic response and the shock absorption are fundamentally the same;with the asymmetric layout schemes,the damping effect is poor compared with that of the previous three layout scheme because of the asymmetric layout of the linear viscous dampers, which results in the torsion of the frame structure, with the seismic response of the frame structure increased.As a result, dampers should be flexibly and symmetrically laid out in the frame structure, and it is not suitable to lay out viscous dampers in an asymmetrical way.

viscous damper;frame structure;layout scheme;seismic response

2016-04-15

李陽(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為結構抗震。843326437@qq.com

10.13219/j.gjgyat.2016.05.013

TU375.4

B

1672-3953(2016)05-0044-04